Как в наше время манипулируют атомами

Современная физика давно перешла от наблюдения за атомами к их активному и точному контролю. Сегодня манипуляция отдельными атомами — это не фантастика, а рабочий инструмент, который используется для создания квантовых компьютеров, новых материалов и сверхчувствительных сенсоров. Вот основные методы, с помощью которых ученые «укрощают» атомы.

💡 Лазерные пинцеты и оптические ловушки

Один из самых распространенных способов работы с нейтральными атомами — использование оптических (лазерных) пинцетов. Это устройства, которые удерживают и перемещают отдельные атомы с помощью сильно сфокусированного лазерного луча. Представьте себе невидимые «щипцы» из света, которые могут захватить атом и передвинуть его в нужное место.

Исследователи из Калифорнийского технологического института (Caltech) активно используют такие пинцеты для управления отдельными атомами внутри их массивов, чтобы изучать фундаментальные свойства квантовых систем. Недавно физики с их помощью заставили атомы войти в состояние квантовой «гипер-запутанности» — это открывает новые возможности для квантовых вычислений.

Особенно интересна технология «мигающих» оптических пинцетов. Вместо того чтобы держать ловушку постоянно включенной, ученые включают и выключают ее с определенной периодичностью. Это позволяет одним пинцетом последовательно захватывать и перестраивать сразу несколько атомов, экономя энергию лазера в разы.

🔬 Сканирующая туннельная микроскопия (СТМ): точность до атома

Другой ключевой инструмент — сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Его игла настолько остра, что может «чувствовать» отдельные атомы на поверхности материала. Ученые используют эту иглу не только для наблюдения, но и для перемещения атомов — буквально подталкивая их в нужную сторону.

Этот метод позволяет не только перемещать атомы, но и управлять их спином — квантовым свойством, которое можно использовать для хранения информации. Исследователи из Университета Северо-Востока (UNNE) в Аргентине предложили новый эффективный метод манипуляции спиновыми состояниями атомов на поверхностях с помощью СТМ, используя явление квантовой интерференции.

⚡ Электронные пучки: манипуляции в 3D и при комнатной температуре

Традиционно манипуляции с атомами требовали экстремальных условий: сверхвысокого вакуума и температур, близких к абсолютному нулю. Однако недавно исследователи из MIT и Ок-Риджской национальной лаборатории совершили прорыв. Они разработали метод, позволяющий точно перемещать десятки тысяч отдельных атомов внутри материала за считанные минуты при комнатной температуре.

Их подход использует электронный пучок, который с помощью специальных алгоритмов позиционируется в нужных точках материала, заставляя атомы двигаться. Это позволяет «перепрограммировать» материалы, создавая искусственные квантовые дефекты, которых не существует в природе.

Еще один метод — «атомная фиксация» (atomic lock-on) — позволяет наводить электронный луч на конкретный атом с точностью менее 20 пикометров (это в сотни раз меньше диаметра атома), не повреждая его. Это дает возможность проводить спектроскопические измерения отдельных атомов с невероятной точностью.

🧠 Искусственный интеллект берет управление на себя

Современные эксперименты по манипуляции атомами становятся настолько сложными, что человеку все труднее управлять ими вручную. На помощь приходит искусственный интеллект (ИИ).

В 2025 году была продемонстрирована интегрированная система ИИ, которая автономно управляет сканирующим туннельным микроскопом для манипуляции атомами серебра при комнатной температуре. Система использует несколько моделей машинного обучения для оценки состояния иглы и поверхности, обнаружения атомов и принятия решений о манипуляции. Она успешно проработала более 25 часов без вмешательства человека, выполняя операции по перемещению и захвату атомов.

⚛ Управление на уровне атомного ядра

Самый глубокий уровень контроля — это манипуляция не электронами, а самим атомным ядром. В 2024 году ученые из Делфтского технического университета (Нидерланды) смогли инициировать контролируемое движение ядра атома титана, заставив его взаимодействовать с одним из электронов на внешней оболочке.

Используя сверхтонкое взаимодействие — чрезвычайно слабую связь между спином ядра и спином электрона — исследователи смогли управлять состоянием ядра и считывать его через иглу сканирующего туннельного микроскопа. Это открывает путь к хранению квантовой информации внутри ядра, где она защищена от внешних помех.